多徑對室內(nèi)外穿透損耗測試的影響

李建中，葛慧明

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510627）

多徑對室內(nèi)外穿透損耗測試的影響

李建中1，葛慧明2

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；
2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510627）

通過對電波傳播機制的研究，分析了多徑對室內(nèi)外穿透損耗測試的影響，并搭建測試環(huán)境進(jìn)行驗證，給出了工程上穿透損耗測試方法的建議。

多徑 反射波 包絡(luò) 駐波 穿透損耗

1 引言

中國的移動通信網(wǎng)絡(luò)物理站址早已超過150萬個[1]，典型城區(qū)4G站距小于500m；基本可以在城鎮(zhèn)提供無縫的室外覆蓋。研究表明，隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，已從話音承載為主轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)承載為主，業(yè)務(wù)更多地集中于室內(nèi)。伴隨城市化進(jìn)程的發(fā)展，建筑物的數(shù)量和類型大幅增加，受建筑物特性、通信建設(shè)受物業(yè)阻撓、用戶對室內(nèi)覆蓋更加挑剔等因素的影響，室內(nèi)覆蓋問題越來越復(fù)雜，已成為運營商關(guān)注的重點。

解決室內(nèi)覆蓋主要有2類方案：合理增加宏基站的密度，克服穿透損耗對室內(nèi)覆蓋的影響；建筑物內(nèi)部署分布式天線系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。利用宏基站進(jìn)行覆蓋，單位覆蓋成本更低，施工維護(hù)方便，是一般用戶密度、中低業(yè)務(wù)密度區(qū)域的主流解決方案。設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一為穿透損耗的取定，該參數(shù)對于基站覆蓋半徑的影響極為敏感，是影響網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的主要因素[2]。穿透損耗與建筑物墻體的材質(zhì)、厚度及尺寸等有關(guān)，不同地域的建筑物其特征顯著不同。關(guān)于穿透損耗，有學(xué)者以射線跟蹤法[3]、射線跟蹤法和FDTD（Finite Difference Time Domain，時域有限差分）法[4]的混合方法進(jìn)行研究，需要對建筑物進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，參數(shù)取定及運算較為復(fù)雜，實際操作受到較大限制。工程上一般引用經(jīng)驗值[5]或通過現(xiàn)場采樣測試，對比室內(nèi)外信號差異，對該參數(shù)進(jìn)行修正和取定，獲取更適合本地建筑特征的穿透損耗值。

本文主要對產(chǎn)生損耗的原理及工程上常用的測試室內(nèi)外信號差值的確定穿透損耗方法的嚴(yán)謹(jǐn)性進(jìn)行探討，估算由于多徑傳播對測試結(jié)果的影響，并給出了改進(jìn)建議。

2 傳播機制

當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到2種不同媒質(zhì)的分界面時（例如從空氣傳播到樓宇外墻），因媒質(zhì)的本質(zhì)阻抗不同，電磁波在分界面上將產(chǎn)生反射和折射（透射）。入射波E0的一部分ER被反射，在第一種媒質(zhì)中傳播，另一部分ET折射入第二種媒質(zhì)。折射部分將繼續(xù)傳播，在到達(dá)墻面與空氣界面時，將再次發(fā)生反射和折射。因此，穿透損耗主要由于能量被反射、折射部分的媒質(zhì)吸收、墻體內(nèi)部折射波的再次反射等多種因素的影響。

斜入射電波媒質(zhì)表面的反射和折射如圖1所示：

圖1 斜 入射電波媒質(zhì)表面的反射和折射

產(chǎn)生的反射波和折射波特性與入射波的極化特性有關(guān)。以入射面為基準(zhǔn)，把電場矢量平行于入射面的波稱為平行極化波，把電場矢量垂直于入射面的波稱為垂直極化波。任意極化波總可以分解成2個平行、垂直線極化波來討論[6]。

折射角與入射角之間的關(guān)系可以根據(jù)2種媒質(zhì)的介電常數(shù)來確定，其關(guān)系如下（斯奈爾折射定律）[7]：

電場的反射系數(shù)R定義為分界面上反射波的切向電場強度與入射波的切向電場強度之比；電場的傳輸系數(shù)T定義為分界面上折射波的切向電場強度與入射波的切向電場強度之比。

3 反射信號對室外信號的影響分析

在室外測試時，接收機天線收到的信號主要有2部分：信號源發(fā)射的直射波；經(jīng)墻體反射后的反射波。如圖2所示，即存在多徑信號。根據(jù)反射系數(shù)公式，墻體的介電常數(shù)取8，可以估算出垂直入射時反射系數(shù)約為0.48。

圖2 多徑傳播示意圖

存在入射波和反射波時，依據(jù)反射波存在與否及反射波的大小，波分為以下3種類型：

（1）行波：即無反射波出現(xiàn)；

（2）全駐波：即全部反射，其包絡(luò)為以入射波半波長為周期的正弦波；

（3）混合波：既有行波成分，又有駐波成分。

由于墻體不是理想導(dǎo)體，因此反射波是部分能量，接收機收到的將是混合波。當(dāng)收發(fā)天線、反射點在一條直線上時，在沿著入射方向的路線上，接收信號的包絡(luò)隨距離變化。其幅度變化為E0-ER至E0+ER，幅度變化規(guī)律近似為周期是入射波半波長的正弦波。

當(dāng)R=0.48時，反射波的場強為0.48E0，接收機收到的混合波其幅度變化范圍為0.52E0至1.48E0，最大值與最小值差別為2.8倍。此種情況下接收機測試到的能量在不同的位置應(yīng)該有不同的強度。

4 現(xiàn)場測試情況分析

測試場景為：輸出功率-10dBm，頻率1 878MHz，發(fā)射天線距離墻面3.7m。接收天線自距離墻面0.32m處，以2cm的步長，垂直墻面往發(fā)射機方向移動。接收機采集速率約為100Samples/s，單點采集時間為20s。采集結(jié)果具體如表1所示：

表1 垂直方向測試結(jié)果

實測的接收信號有明顯的周期性變化。由于場強峰值的位置與發(fā)射天線的位置、饋線的長度等有關(guān)，難以準(zhǔn)確確定波峰的位置；同時，距離的測量也有一定的誤差。因此，所采樣的數(shù)值雖然呈周期性變化，但無法保證采樣點的最大值即為場強最大值。

由于已知其場強的變化為正弦波特征，因此可采用擬合的方式，利用測試結(jié)果來獲取其主要參數(shù)。擬合的變量為幅度、相移、幅度偏置。可以利用Excel規(guī)劃求解的功能[8]，對3個變量進(jìn)行求解。代價函數(shù)設(shè)定為擬合值與測試值的差異。由于變量少、值域窄，也可以采用VBA編程進(jìn)行擬合。求解后可接受的場強相對值擬合結(jié)果為：幅度5.1、相移206°、偏置10.2。

測試數(shù)據(jù)折算后擬合結(jié)果如圖3所示：

圖3 測試數(shù)據(jù)折算后擬合結(jié)果

由此推算出場強最大值與最小值差別為2.9倍，對應(yīng)接收電平（dBm）差異9.3dB。與理論推算極為接近。

5 多徑環(huán)境下室外信號分布

在平行于反射面的方向上，由于傳播路徑差變化緩慢，因此水平方向上接收場強隨距離變化的周期較長，變化幅度較小。隨著入射角的增大（入射方向與反射面法線的夾角），反射系數(shù)增大，由此電場的變化幅度也會增大。在一路反射波的情況下，距離差d為：

以墻面為坐標(biāo)軸，x0、y0為發(fā)射源位置，x1、y1為接收機位置。

發(fā)射源（-10dBm，f=1878MHz）距離墻面200m、1.4m時，墻體室外局部的電平變化（2m×2m區(qū)域，1cm分辨率）情況如圖4所示：

圖4 室外多徑環(huán)境下場強隨距離變化情況

仿真顯示，當(dāng)發(fā)射源距離墻面較遠(yuǎn)（200m）時，局部區(qū)域的反射點及入射角變化較小，沿墻面平行方向場強變化較小；當(dāng)發(fā)射源距離墻面較近（1.4m）時，水平方向變化較慢，0.5m的距離幾乎無變化。這2種情況下垂直墻面方向場強均變化劇烈，視頻段與墻面材質(zhì)不同，數(shù)厘米的距離有5dB至10dB的變化。

因此，在通過測試室內(nèi)外信號差值確定穿透損耗時，其測試結(jié)果主要取決于測試點離墻面的距離。以瓷磚墻面為例，測量值在直射波+2dB至直射波-6dB之間。若室外以單點或天線距墻面固定距離連續(xù)移動方式測試時，室外場強由于多徑的影響下，不同位置的測量值差異較大，隨機誤差大。且其測量中值將低于實際值2dB，即穿透損耗偏小，小區(qū)覆蓋半徑偏大。

根據(jù)理論分析及實際測試顯示，外立面貼瓷磚的墻面反射了25%的能量；由于反射能量的影響，垂直方向1/4波長（約4cm）的距離變化內(nèi)將引起近10dB的接收電平變化。玻璃材質(zhì)的墻面（介電常數(shù)約為4[9-10]）約反射11%的能量，實測其接收電平變化約為6dB。根據(jù)3GPP的EPA（Extended Pedestrian A model）模型，第二徑強度比主徑低-1dB[11]，即復(fù)雜情況下短距離內(nèi)快衰落將超過24dB。此時引起的測量誤差更大，多徑造成的接收電平變化不容忽視。

6 結(jié)論

由于多徑的影響，室外接收電平與到墻面的距離強相關(guān)，在10cm的尺度上電平變化為5dB至10dB。單點采集或沿墻面方向移動采集時，隨機誤差較大，室外接收電平測量值低于實際值，會導(dǎo)致穿透損耗測試值偏小，其后果是室內(nèi)實際覆蓋效果劣于設(shè)計預(yù)期。因此，以對比室內(nèi)外電平差方式測量穿透損耗時，應(yīng)根據(jù)所測試的頻段、信號源的位置，在室外距墻面不同距離的多個位置或以縱向小范圍移動的方式采集足夠多的樣本進(jìn)行計算來減少多徑的影響。或者不采用對比室內(nèi)外電平差的方式，而是選取室外為自由空間傳播環(huán)境，通過修正傳播距離，直接計算穿透損耗的方法來獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果。

[1] 中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng). 中國移動基站總數(shù)年底將達(dá)180萬個[EB/OL]. (2014-06-26). http://www.cnii.com.cn/ wireless/2014-06/26/content_1388371.htm.

[2] Harri Holma, Antti Toskala. LTE for UMTS: Evolution to LTE-Advanced[M]. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, 2011.

[3] 季忠,黎濱洪,王豪行. 用射線跟蹤法對室外至室內(nèi)的電波傳播進(jìn)行預(yù)測[J]. 通信學(xué)報, 2001(3): 114-119.

[4] 黃永明,呂英華,徐立,等. 以改進(jìn)的混合方法預(yù)測室外到室內(nèi)的電波傳播[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2003(4): 428-432.

[5] Thomas Kurner, Alexander Meier. Prediction of outdoor and outdoor-to-indoor coverage in urban areas at 1.8GHz[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002(4): 496-506.

[6] 趙 家陞. 電磁場與微波技術(shù)[M]. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社, 1990.

[7] Kraus Fleisch. 電磁學(xué)及其應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2001.

[8] Frontline Systems, Inc. Excel Solver Help[ EB/OL]. [2015-04-02]. http://www.solver.com/excel-solver-help.

[9] 王儀財,吳孟強,許峰云,等. 石英玻璃的高溫介電特性研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2005(S1): 387-391.

[10] 百度百科. 介電常數(shù)[EB/OL]. [2015-04-02]. http:// baike.baidu.com/link?url=VRd0I7QvD89qDW6YbXwc MAO_hAJFj4hIXwWLNK7kij0OQ6owtBUndoFzFtO2 T0l4WF5MbWA9PWWouLgzdjWjxa.

[11] 3GPP TS 36.101 V9.9.0. User Equipment (UE) radio transmission and reception[S]. 2011.★

李建中：工程師，畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任職于廣州杰賽科技股份有限公司，從事移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化工作，主要研究方向為大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在移動通信規(guī)劃優(yōu)化中的應(yīng)用。

葛慧明：學(xué)士，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部副總經(jīng)理，主要研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、天線及信號干擾。

Impact of Multipath on Indoor and Outdoor Penetration Loss Test

LI Jian-zhong1, GE Hui-ming2
(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China; 2. China United Network Communications Co., Ltd., Guangdong Branch, Guangzhou 510627, china)

Based on radio wave propagation mechanism, the impact of multipath on indoor and outdoor penetration loss test was analyzed in this paper. Test environment was established and proposal on penetration loss test method was presented.

multipath refl ected wave envelope standing wave penetration loss

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.007

TN929.5

A

1006-1010(2015)12-0033-04

李建中,葛慧明. 多徑對室內(nèi)外穿透損耗測試的影響[J]. 移動通信, 2015,39(12): 33-36.

2015-04-07

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn